超强激光场中非线性康普顿散射新性质的理论研究

Presently, several 10PW and 100PW laser facilities are proposed or under construction around the world and laser intensity is expected to approach or surpass 10^24W/cm^2. Strong field QED is the basis to understand interactions in lasers of such intensity. However, there is a problem in present understandings on nonlinear Compton scattering, the dominant process in ultra intense laser fields. Three traditional ideas for radiation of ultra relativistic charges: forward radiation, recoil reaction and spectrum cutoff are taken as basic features of nonlinear Compton scattering. The reason for this problem is, the influence of the total energy-momentum of laser photons involved in the scattering is not included. In this proposal, we will first demonstrate why this problem would develop into a big mistake when laser intensity reaches the scale of 10^24W/cm^2, and why popular simulation models on electron radiation in ultra intense lasers would become invalid at such intensity. We plan to analyze effects of total energy momentum of laser photons involved in nonlinear Compton scattering with strong field QED theory, especially the influence on its basic features including angular distribution and spectrum. Then we will discuss measurable signatures and new phenomena of such effect on future laser facilities. These explorations will allow us to understand laser-matter interactions in ultra high fields more profoundly, and provide a guide for strong field QED experiments.

目前，世界上有多处十拍瓦或百拍瓦级激光装置正在计划或建设之中，预计功率密度I将接近甚至超过10^24W/cm^2。非线性康普顿散射，即一个电子与多个激光光子散射到一个电子和一个伽马光子的过程是如此强激光中最重要的两个物理过程之一。然而，对这个量子过程的主流认识目前却建立在极端相对论性电荷辐射的三点经典或半量子性质，即前向辐射、能谱截断和后坐辐射反作用之上。这三点被当成该量子过程的基本性质并大量应用在主流模拟程序中。虽然这在激光强度较低的时候是一个极好的简化，但是，如本申请书将阐明的，这种简化在I~10^24W/cm^2时将不再适用。我们计划从理论入手，通过考虑参与散射光子的总能动量来研究非线性康普顿散射在I~10^24W/cm^2时的基本性质的变化，建立极端强激光中非线性康普顿散射的新模型，讨论相应物理效应在未来激光装置上可观测的信号。这些探索将加深我们对超强超短激光与物质相互作用的认识。

在本项目的研究中，我们通过理论分析与计算给出了考虑参与散射的激光光子能动量后，修正的非线性康普顿散射与非线性Breit-Wheeler过程的解析公式。我们从强场量子电动力学的基本理论出发，通过推导这个物理过程在单次发生过程中所吸收的光子数量来进一步给出了它们在极端强场下的基本性质，包括对于辐射方向的、辐射能谱、电子辐射反作用的影响。我们看到，辐射方向在电子能量、激光强度、波长、相对方向都确定的情况下是一个定值。并设计了相应的模拟模型，嵌入了我们自己的蒙卡模拟程序。我们发现相干激光光子能动量的效应是可以在激光强度超过10^22W/cm^2的条件下开展实验验证的。我们对非线性康普顿散射的传统模型的改进是对该模型是五种改进模型之一，在国际上发出了我们自己独特的声音。..在此基础上，我们提出了一种通过超强激光中的量子过程加速带电粒子的物理原理，并将它命名为量子加速。我们知道，从上世纪20年代末加速器被发明以来，人类制造过许许多多的加速器。这些加速器形态、大小各异，实现加速的物理机制也各不相同。然而，在这些加速器背后，它们实现粒子加速的根本原理却是一样的：产生合适的电磁场来向带电粒子施加一个前向的电场力来提高它的能量。这一原理已经深入人心，许多教科书甚至就是这样定义加速器的。该原理决定了已知粒子加速器的基本特点。例如加速过程是经典和连续的；需要一定的加速距离；加速过程中的辐射会导致能量损失且能量越大损失越强等等。而我们提出并命名的量子加速，是在极端强激光中，巨量的相干激光光子可以在非线性康普顿散射中将其能动量转移给电子或正电子，也可以在非线性Breit-Wheeler过程中将其能动量转移给电子与正电子。量子加速比起传统的加速过程来说，具有以下三个鲜明的特点：1.加速距离锁定为0；2.加速能量随着装置规模超线性增长；3.粒子增殖。量子加速的原理验证性实验可以在10-100PW级激光装置上开展。